Wpływ elementów wspólnych na staliwo

Dodawanie C do procesu odlewania stali jest powszechnym sposobem odlewania. Gdy zawartość C jest mniejsza niż 2%, nazywamy ją stalą laną; gdy jest wyższa niż 2%, nazywamy ją stalą C. Jednak sam C nie ma wytrzymałości i twardości. Jednak jako Fe(3)C, węglik żelaza w roztworze stałym, C jest głównym pierwiastkiem kontrolującym wytrzymałość i twardość.

Główną rolę C:

W odlewach ze stali nierdzewnej wraz ze wzrostem zawartości C zwiększa się wytrzymałość, twardość i hartowność stali. Zmniejsza jednak plastyczność, wytrzymałość oraz właściwości magnetyczne i elektryczne. Połączenie C i niektórych pierwiastków stopowych w stali tworzy różne węgliki, które mają różny wpływ na właściwości stali.
Zawartość C w niektórych zakresach odlewania stali: Stal C 0,03 ~ 1,04%, stal narzędziowa szybkotnąca 0,75 ~ 1,60%, stal narzędziowa do pracy na gorąco 0,22 ~ 0,70%, stal narzędziowa do pracy na zimno 0,45 ~ 2,85%.

Widzimy Mn w stopionej stali w procesie odtleniania i odsalania, ale w tym momencie pozostaje on w stali w ilościach mniejszych niż 1%. Gdy ilość Mn w stali przekracza 1%, Mn jest celowo dodanym pierwiastkiem stopowym.

Główną rolą Mn:

Poprawia wytrzymałość na rozciąganie, hartowność, wysoką ciągliwość i właściwości przetwórcze odlewów stalowych. W stalach zawierających S, Mn minimalizuje kruchość na gorąco i na zimno spowodowaną przez S. Stal o wysokiej zawartości Mn ma wysoką odporność na zużycie po ciężkiej pracy lub uderzeniu. Istnieje jednak tendencja do promowania wzrostu ziarna stali i zwiększania drugiego rodzaju kruchości odpuszczania. Pierwiastek Mn jest stosowany w stali konstrukcyjnej, stali zbrojeniowej i stali sprężynowej.
Mn w niektórych odlewach stalowych w zakresie zawartości: Stal C 0,25 ~ 0,65%, stal Mn 1,6 ~ 1,9%, stal narzędziowa do pracy na zimno 0,30 ~ 2,50%, autentyczna stal nierdzewna Cr - Ni 2,00 ~ 15,5%.

Si jest pierwiastkiem ferrytotwórczym. Podnosi temperaturę A(1) i A(3). Ponieważ Si ma działanie grafitowe, jest zwykle łączony z Mn w stali jako stabilizator węglików. Jest powszechnie stosowanym odtleniaczem.

Główną rolą Si:

W stalach elektrotechnicznych Si zwiększa przenikalność i rezystywność oraz umożliwia płytkie straty histerezy. Si sprawia, że niektóre stale odporne na wysokie temperatury są odporne na utlenianie. Odlewanie stali poprawia hartowność, wytrzymałość i udarność dzięki połączeniu Si i Mn. Zwłaszcza po hartowaniu i odpuszczaniu może poprawić granicę plastyczności i granicę sprężystości stali. Wysoka zawartość Si w odlewie stalowym, jego właściwości magnetyczne i odporność są znacznie zwiększone. Si ma jednak tendencję do promowania grafityzacji, a gdy stal zawiera wysoki poziom C, efekt jest jeszcze większy.
Zawartość Si w zwykłej stali waha się od 0,17 do 0,37%.

Główną rolą Cr:

Odlewy ze stali nierdzewnej zawierają wystarczającą ilość C, gdy Cr poprawia twardość stali. Ogólnie rzecz biorąc, stale o niskiej zawartości Cr zawierające 1% C są bardzo twarde. Cr dodany do stali o niskiej zawartości C może poprawić wytrzymałość, ale zmniejszyć plastyczność. Cr poprawia wytrzymałość i hartowność stali w wysokich temperaturach; w stali o wysokiej zawartości C i odporności na zużycie.

Po dodaniu w dużych ilościach, do 25%, Cr poprawia odporność na korozję dzięki tworzeniu ochronnej warstwy tlenku na powierzchni stali. W połączeniu z pierwiastkami takimi jak Ni, poprawia odporność na utlenianie i wytrzymałość termiczną stali oraz dodatkowo poprawia odporność na korozję. Cr promuje wzrost ziarna, prowadząc do zwiększonej kruchości stali. Cr jest szeroko stosowanym pierwiastkiem w stali konstrukcyjnej, narzędziowej, łożyskowej, nierdzewnej i żaroodpornej.

W jest stałym pierwiastkiem węglikotwórczym. Tworzy bardzo twarde i stabilne węgliki W(2)C, WC i złożony węglik Fe(4)W(2)C. Węgliki te rozpuszczają się bardzo powoli i tylko w bardzo wysokich temperaturach. W jest ważnym składnikiem stali narzędziowych, zwłaszcza szybkotnących. W tych stalach, W znacząco zwiększa twardość po wtórnym hartowaniu. Jako pierwiastek ferrytotwórczy, W obniża temperaturę A(4) i podnosi temperaturę A(3).

Wiodąca rola W:

W hamuje wzrost ziarna, a tym samym ma efekt rafinacji ziarna. W redukuje odwęglanie podczas pracy na gorąco i obróbki cieplnej. Zwiększa twardość wysokotemperaturową stali hartowanych i odpuszczanych. W niektórych stopach wysokotemperaturowych W zwiększa wytrzymałość na pełzanie. Odlew ze stali nierdzewnej zawierający W jest podgrzewany do 600 ~ 700 ℃ węglika nadal nie wytrąca się, unikając w ten sposób zmiękczenia stali. Jest to jeden z pierwiastków stosowanych częściej w szybkotnącej stali narzędziowej i stopowej stali narzędziowej. Nie nadaje się on jednak do staliwa odpornego na utlenianie.
W w pewnym zakresie zawartości stali: W-Cr stal 1,75%, stal narzędziowa szybkotnąca 1,15 ~ 21,0%, stal narzędziowa do pracy na gorąco 0 ~ 19,0%, stal narzędziowa do pracy na zimno 0 ~ 2,0%, stal odporna na uderzenia 0 ~ 3,0%.

Mo jest silnym pierwiastkiem węglikotwórczym. Tworzy sztywny i stabilny węglik Mo(2)C, a także inne złożone węgliki, takie jak Fe(4)Mo(2)C i Fe(21)MoC(6).

W roli głównej Mo:

Niewielka ilość może skutecznie zmniejszyć szybkość transformacji i poprawić wytrzymałość staliwa na wysokie temperatury i odporność na pełzanie. Może również zwiększyć odporność stali nierdzewnej na korozję, zwłaszcza w roztworach kwasu solnego. Mo odgrywa podobną rolę w szybkotnącej stali narzędziowej, przy czym często zamiast W stosuje się Mo. Zmniejsza to gromadzenie się węglików w stalach zawierających W i poprawia właściwości mechaniczne. Mo jest jednym z podstawowych składników stali Mo, które mają wysoką wytrzymałość na rozciąganie i dobrą plastyczność. W stalach Cr, Mo jest dodawany w celu poprawy skrawalności i właściwości mechanicznych. W stalach Ni-Mo, Mo zwiększa twardość powierzchni odlewanej stali nierdzewnej.
Mo w niektórych zakresach zawartości stali: Mo stal 0,15 ~ 0,60%, stal narzędziowa szybkotnąca 0 ~ 10,0%, stal narzędziowa do pracy na gorąco 0 ~ 5,5%, stal narzędziowa do pracy na zimno 0 ~ 1,8%, autentyczna stal nierdzewna Cr - Ni 0,~ 4,0%, stal martenzytyczna Cr 0 ~ 1,25%, stal ferrochromowa 0 ~ 1,25%.

V to węglikotwórczy pierwiastek stały. Tworzy węglik VC. V jest obecny w staliwie w postaci drobnoziarnistych i rozproszonych węglików i azotków. Nie ulegają one rozkładowi w średnich temperaturach obróbki cieplnej i mogą hamować wzrost ziaren. Wystarczająca ilość węgla i rozpuszczalnego V w podwyższonych temperaturach powoduje najbardziej znaczący obserwowany efekt wtórnego utwardzania.

Główną rolę V:

V jest niezbędnym pierwiastkiem uszlachetniającym ziarno. Hamuje wzrost austenitu, a już 0,1% V skutecznie hamuje wzrost ziarna podczas hartowania. Jednak wzrost ziarna rozpoczyna się natychmiast po podgrzaniu staliwa do temperatury, w której wzrost ziarna hamuje rozpuszczanie cząstek węglików i azotków.
Żelazo, stosunek zawartości węgla większy niż 5,7 może zapobiegać lub zmniejszać korozję międzykrystaliczną stali nierdzewnej. Znacząco poprawia odporność stali nierdzewnej na wysoką temperaturę, wysokie ciśnienie i korozję wodorową. Może udoskonalić ziarno i spowolnić szybkość przenoszenia pierwiastków stopowych, ale odporność stali żeliwnej na utlenianie w wysokiej temperaturze nie jest dobra.
V w niektórych zakresach zawartości stali i stopów: stal chromowo - V 0,10 ~ 0,20%, stal narzędziowa szybkotnąca 0,90 ~ 5,25%, stal narzędziowa do pracy na gorąco 0 ~ 2,20%, stal narzędziowa do pracy na zimno 0 ~ 5,15%

Co jest pierwiastkiem węglikotwórczym. Ma nieco większą tendencję do tworzenia węglików niż żelazo. Poprawia właściwości wysokotemperaturowe stali oraz jej odporność na utlenianie i korozję. Co jest kluczowym składnikiem niektórych super twardych, szybkotnących stali narzędziowych, niektórych stopów magnesów trwałych i stopów wysokotemperaturowych.

Wiodąca rola Co:

Co znacznie zwiększa wytrzymałość i ciągliwość poprzez promowanie procesu utwardzania wydzieleniowego. Co rozpuszcza się w ferrycie lub austynicie i hamuje mięknienie podczas wzrostu temperatury.
Zakres zawartości Co w niektórych stalach i stopach: 0~13,0% dla stali narzędziowych szybkotnących, 0~4,5% dla stali narzędziowych do pracy na gorąco

Ti jest stałym pierwiastkiem węglikowym. W stanie roztworu stałego niezawodny efekt wzmocnienia roztworu jest niezwykle silny, ale jednocześnie zmniejsza wytrzymałość roztworu stałego.

Główna rola Ti:

W stalach o średniej zawartości chromu Ti wyciąga węgiel z roztworu stałego i zmniejsza twardość martenzytu oraz hartowność. W stalach wysokochromowych Ti zapobiega tworzeniu się austenitu. W austenitycznych stalach nierdzewnych Ti wyciąga węgiel z roztworu stałego w wysokich temperaturach, zapobiegając w ten sposób tworzeniu się węglików chromu na granicach ziaren. W austenitycznych stopach wysokotemperaturowych Ti sprzyja utwardzaniu wydzieleniowemu. W osadowych wysokowytrzymałych stalach niskostopowych Ti poprawia wytrzymałość stali. Ti może uszlachetniać ziarno i wiązać węgiel, korzystnie wpływając na spawalność stali żeliwnej.
Zawartość Ti w wysokowytrzymałej stali niskostopowej waha się od 0~0.10%

Ołów ma ograniczoną rozpuszczalność w stopionej stali. Ponieważ ma gęstość znacznie większą niż stal, tonie w stopionej stali i oddziela się od niej. Jest on obecny w stali w postaci wtrąceń. Wtrącenia te są miękkie i działają jako śródmiąższowe środki smarne. Jego zawartość około 0,20% i obecność bardzo małych cząstek może poprawić skrawalność stali bez znaczącego wpływu na inne właściwości.

Ni nie tworzy węglików. Obecność Ni w stali żeliwnej destabilizuje węgliki żelaza, a tym samym sprzyja grafityzacji. Ni działa wzmacniająco na ferryt poprzez tworzenie prostych zastępczych roztworów stałych. Jako pierwiastek tworzący austenit, Ni stabilizuje austenit poprzez podniesienie temperatury A(4) i obniżenie temperatury A(3). Jeśli czyste żelazo zawiera więcej niż 25% Ni, powstały stop jest czystym austenitem, nawet jeśli jest powoli schładzany do temperatury pokojowej.

Główna rola Ni:

W stalach stopowych zawierających do 5% Ni, Ni poprawia wytrzymałość i ciągliwość. Ni umożliwia tworzenie austenitu o wysokiej zawartości chromu, dając austenityczne stale nierdzewne chromowo-niklowe. Jest szeroko stosowany, zwłaszcza w stali nierdzewnej i stali żaroodpornej. Stale o wysokiej zawartości Ni zawierające niewielkie ilości węgla znacznie zwiększają histerezę termiczną izotropowej przemiany heterokrystalicznej. Prowadzi to do zatrzymania martenzytu w martenzytycznych stalach starzonych po podgrzaniu do 600°C. Ni zmniejsza współczynnik rozszerzalności cieplnej, a w stopach o wysokiej zawartości Ni zwiększa przepuszczalność. Gdy zawartość Ni w staliwie jest wysoka, połączenie go z chromem może znacznie poprawić odporność stali na korozję i wysoką temperaturę.

Nb zwiększa wytrzymałość poprzez utwardzanie wydzieleniowe i dalsze udoskonalanie ziarna ferrytu.

Główną rolą Nb:

Niewielkie ilości Nb (ok. 0,02%) mogą skutecznie zwiększyć wytrzymałość stali węglowej na rozciąganie i granicę plastyczności. Nb jest niezbędnym składnikiem niektórych wysokowytrzymałych stali niskostopowych.
Gdy jego zawartość przekracza 8-krotność zawartości węgla, może on wiązać prawie cały węgiel w staliwie. Stale autentyczne zapobiegają korozji międzykrystalicznej staliwa przez media utleniające. Ze względu na wiązanie węgla w stali i efekt utwardzania wydzieleniowego, może poprawić właściwości wysokotemperaturowe stali żarowytrzymałych, takie jak wytrzymałość na pełzanie.

Miedź jest pierwiastkiem tworzącym austinit. Ponieważ miedź ma tendencję do grafityzacji, jest dodawana tylko do stali miękkiej i w ilościach nie większych niż 1,5%.
Główną rolą miedzi jest poprawa odporności na korozję i zwiększenie wytrzymałości stopu na rozciąganie poprzez utwardzanie wydzieleniowe. Miedź może nieznacznie zwiększyć granicę plastyczności w tych stalach, w których utwardzanie wydzieleniowe nie występuje. Zmniejsza się jednak plastyczność i wytrzymałość odlewów ze stali nierdzewnej. Stal węglowa zwiększa hartowność i zmniejsza plastyczność. Gdy zawartość miedzi przekracza 0,4%-0,5%, powierzchnia części stalowych łatwo ulega pęknięciom podczas obróbki na gorąco.

Al ma niższą zdolność tworzenia węglików niż żelazo. Al sprzyja grafityzacji w odlewach ze stali nierdzewnej.

W roli głównej Al:

Al i azot lub O w celu wytworzenia skutecznych drobnych dyspersji hamujących wzrost ziaren. Generuje skuteczną warstwę utwardzającą powierzchnię poprzez dyfuzję azotu w niższej temperaturze (azotowanie). Al sprawia, że stal jest odporna na korozję poprzez tworzenie stałej warstwy tlenku glinu na powierzchni stali żeliwnej. Al uszlachetnia ziarna stali nierdzewnej, zwiększając w ten sposób wytrzymałość i ciągliwość stali.
Zawartość Al w niektórych stalach i stopach waha się od 0,01 do 0,03% w zwykłej stali, od 0 do 0,30% w ferrytycznej stali nierdzewnej i od 0 do 1,5% w stali nierdzewnej utwardzanej wydzieleniowo.

B jest bardzo twardym ciałem stałym, które topi się w temperaturze 2300°C.

Główną rolę B:

Dodanie śladowych ilości B (0,0005 do 0,005%) do całkowicie odtlenionej stali nierdzewnej może znacznie poprawić hartowność stali. Jest to spowodowane zmniejszeniem szybkości przemiany fazowej podczas chłodzenia, ale gdy zawartość węgla wzrasta, hartowność spada. Dlatego B dodany do stali o niskiej lub średniej zawartości węgla o zawartości węgla <0,6% ma znaczący wpływ. Jeśli dodasz niewielką ilość B, zmniejsz ilość innych droższych pierwiastków stopowych o połowę, nadal odlewając stal, aby utrzymać tę samą szybkość transformacji. B poprawia plastyczność i właściwości mechaniczne odlewanej stali nierdzewnej.

S jest pierwiastkiem najbardziej szkodliwym dla staliwa. Ma on najbardziej szkodliwy wpływ na stal poprzez tworzenie kruchego siarczku FeS. Siarczek jest obecny w stali w ilościach tak niskich jak 0,01% i może również powodować wytrącanie się siarczków wzdłuż granic ziaren.

Główną rolą S:

Po dodaniu odpowiedniej ilości manganu do staliwa, S tworzy MnS, który jest plastyczny w temperaturach pracy na gorąco. S może zwiększyć ilość wtrąceń niemetalicznych w stali, tak że wytrzymałość stali jest zmniejszona i znacznie zmniejsza właściwości spawalnicze stali. Podczas pracy na gorąco łatwo wytworzyć kruchość (kruchość na gorąco), ale nieco wyższa zawartość S może poprawić skrawalność stali niskowęglowej.
Zawartość S w zwykłej stali wynosi ≤ 0,045%.

S jest pierwiastkiem najbardziej szkodliwym dla staliwa. S ma najbardziej szkodliwy wpływ na stal poprzez tworzenie kruchego siarczku FeS. Siarczek jest obecny w stali w ilościach tak niskich jak 0,01% i może również powodować wytrącanie się siarczków wzdłuż granic ziaren.

Główną rolą S:

Po dodaniu odpowiedniej ilości manganu do staliwa, S tworzy MnS, który jest plastyczny w temperaturach pracy na gorąco. S może zwiększyć ilość wtrąceń niemetalicznych w stali, tak że wytrzymałość stali jest zmniejszona i znacznie zmniejsza właściwości spawalnicze stali. Podczas pracy na gorąco łatwo wytworzyć kruchość (kruchość na gorąco), ale nieco wyższa zawartość S może poprawić skrawalność stali niskowęglowej.
Zawartość S w zwykłej stali wynosi ≤ 0,045%.

N w stali może zarówno tworzyć azotki, jak i rozpuszczać się w szczelinach po zestaleniu. W obu przypadkach N powoduje kruchość stali i sprawia, że nie nadaje się ona do obróbki na zimno. Dlatego zawartość N musi być tak niska, jak 0,002%, aby produkować miękkie stale o wysokiej plastyczności. Zmniejszenie zawartości N zmniejsza również starzenie hartownicze. W stalach walcowanych na gorąco lub kutych fosfor tworzy tak zwane "strefy anomalne", które stają się słabymi punktami w stali.

Wodór może dyfundować ze stali w temperaturze pokojowej. Dyfuzja ta jest bardziej efektywna podczas powolnego wzrostu temperatury. Zawartość wodoru większa niż około 0,0005% prowadzi do zmniejszenia plastyczności stali. Zawartość wodoru powyżej 0,0005% może spowodować wewnętrzne pęknięcie stali. Dzieje się tak zazwyczaj podczas chłodzenia metalu po walcowaniu lub kuciu.
Sprawia to, że stal jest podatna na niedopuszczalne wady, takie jak białe plamy, które mogą prowadzić do kruchości wodorowej, a także jest istotnym czynnikiem prowadzącym do pękania na zimno (opóźnionego pękania) w strefie wpływu ciepła spoiny.

Podczas procesu rozdmuchiwania stali, duża ilość O jest wdmuchiwana do basenu stopionego metalu. Pod koniec procesu rozdmuchiwania stal zawiera nadmiar O. Jeśli nie zostanie odtleniona, wpłynie to na późniejszą operację odlewania. W procesie krzepnięcia stali O występuje w dużych ilościach w postaci tlenków. Odlewana stal nierdzewna będzie również wytwarzać tlenkowe wtrącenia niemetaliczne, zmniejszając plastyczność i udarność stali, czyniąc ją kruchą.

Ponieważ zawartość nie przekracza 0,20%, ogólne właściwości mechaniczne odlewanej stali nierdzewnej nie są znaczące, ale zwiększają wrażliwość na kruchość odpuszczania.

Niewielka ilość Zr odgazowała, oczyściła i udoskonaliła rolę ziarna. Niskotemperaturowa wytrzymałość stali jest korzystna. Może również wyeliminować zjawisko starzenia i poprawić właściwości tłoczenia stali.